Cette thèse doctorale est la première étude systématique d'une classe d’écosystèmes extrêmes nouvellement découverts dans l'environnement arctique : les communautés de tapis microbiens et leurs habitats sur les plates-formes de glace nordiques. L'objectif principal était d’examiner la structure et la dynamique de ces cryo-écosystèmes à plusieurs échelles et d'étudier l'interaction entre les aspects physiques et biologiques sur les cinq plates-formes de glace principales trouvées dans le Haut Arctique canadien. Cette étude comprend une large gamme de méthodologies, soit : l’énumération microscopique des algues ; la quantification des pigments avec la chromatographie liquide de haute performance ; les mesures automatisées de salinité, d'éclairement et de température ; des survols en hélicoptère accompagnés de prise d’échantillons ; et l’analyse d’images de télédétection. La limnologie chimique et physique des cryo-habitats à travers cet écosystème est hétérogène et une communauté diversifiée de phototrophes a été retrouvée dans les tapis microbiens. La fragmentation de l’habitat a eu peu d'effet sur la biodiversité du cryo-écosystème. Cependant, des gradients environnementaux ont été associés à la structure de la communauté des tapis microbiens. L'hypothèse stipulant que les organismes des tapis microbiens des plates-formes de glace subsistent dans des conditions sub-optimales a été évaluée en examinant des réponses métaboliques aux changements de salinité, d’éclairement et de température. Les micro-organismes hétérotrophes se sont avérés spécialisés aux conditions extrêmes répandues sur la glace, tandis que les micro-organismes photosynthétiques ont toléré une plus large gamme de conditions, suggérant ainsi qu’ils étaient des extrêmotrophes (terme défini dans cette étude comme la tolérance des microbes aux conditions locales mais possédant une croissance in situ en dehors de leurs optimums physiologiques) plutôt que des extrêmophiles (la spécialisation aux conditions locales, avec une croissance in situ près des limites physiologiques). Un assemblage de pigments accessoires et photoprotecteurs a été associé à la communauté autotrophe, ce qui peut expliquer la gamme de tolérance plus large des extrêmotrophes. Le rapport entre la couverture du tapis microbien et la perte de masse de la surface de la plate-forme de glace a été examiné. Une concentration élevée de sels nutritifs dans les tapis microbiens a indiqué que ce micro-environnement différait considérablement de l'écosystème entier. Ces résultats soulignent l'importance du couplage biotique-physique sur la plate-forme de glace autant que dans le reste de la cryosphère. Pendant la période d'étude, un événement de détachement d’une partie de la plate-forme de glace Ward Hunt ainsi que le drainage d'un lac épiplate-forme (eau douce barrée par la glace flottant sur l’océan) ont été observé. Une analyse supplémentaire a suggéré que le réchauffement du climat ait contribué à cet événement, ce qui souligne la vulnérabilité des habitats dépendants des plates-formes de glace et de leur valeur comme indicateurs des changements climatiques. Ces cryo-écosystèmes fournissent également de nouvelles connaissances reliées à la vie microbienne dans les milieux polaires extrêmes, ouvrant de nouvelles avenues sur la survie, la croissance et l'évolution pendant les périodes glaciaires du passé, y compris l'ère précambrienne. / This doctoral thesis is the first systematic study of a newly discovered class of extreme ecosystems in the arctic environment: microbial mat communities and their habitats on northern ice shelves. The overarching objective was to examine the structure and dynamics of these cryo-ecosystems at several scales and to examine the interaction between physical and biological aspects on the five major ice shelves found in the Canadian High Arctic. This study made use of a broad range of methods including: microscopic enumeration of algal taxa; quantification of pigments with high performance liquid chromatography; automated over-winter measurements of salinity, irradiance and temperature; helicopter-assisted surveys and sampling; and analysis of satellite imagery. The chemical and physical limnology of the cryo-habitats across this entire ecosystem was found to be heterogeneous and a diverse community of phototrophic microorganisms was found within the microbial mats. Habitat fragmentation was shown to have little effect on the biodiversity of the cryo-ecosystem, however environmental gradients were significantly associated with microbial mat community structure. The hypothesis that ice shelf microbial mat organisms subsist in sub-optimal conditions was tested by examining metabolic responses to changes in salinity, irradiance and temperature. Heterotrophic microbiota were found to be optimized for the extreme conditions prevalent on the ice shelf, whereas photosynthetic micro-organisms tolerated a broader range, suggesting they were extremotrophic (defined by this study as tolerance by microbiota to local conditions but with in situ growth well outside their physiological optima) rather than extremophilic (a more narrow specialization to local conditions, with in situ growth close to physiological maxima). An assemblage of sunscreening and accessory pigments was associated with the autotrophic community, which may account for the extended tolerance range of the extremotrophs. The relationship between microbial mat cover and the surface ablation of the ice shelf was examined and a high concentration of nutrients within the microbial mats indicated that this microenvironment differed greatly from the properties of the bulk ecosystem. These results underscore the importance of biotic-physical coupling on the ice shelf, and in the cryosphere in general. A break-up event on the Ward Hunt Ice Shelf and the drainage of an epishelf lake (ice-dammed freshwater overlying seawater) was discovered during the study period. Further analysis suggested that climate warming contributed to this event, which highlights the vulnerability of ice shelf dependent habitats and their value as indicators of climate change. These cryo-ecosystems also provide new insights into microbial life under extreme polar conditions, with implications for survival, growth and evolution during glacial periods in the past, including the Precambrian Era.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/18121 |
| Date | 11 April 2018 |
| Creators | Mueller, Derek |
| Contributors | Vincent, Warwick F. |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Arctique, Archipel (Nunavut et T.N.-O.) |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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